第8章 防雷与接地

第8章防雷与接地,山东农业大学电气工程系2006年11月制作,供配电工程,8.1 雷电放电8.2 直击雷过电压的防护8.3 感应雷过电压的防护8.4 供配电系统的防雷保护8.5 电气装置的接地8.6 安全用电与触电急救,第8章防雷与接地, 8.1 雷电放电,1、案例2、雷电的形成3、雷电的危害4、雷击人的主要形式5、我国建筑防雷的发展史6、网络防雷,这是卫星拍摄下来的地球表面雷电放电现象,这是在飞机上拍摄的云间雷电放电现象,这是下行雷电放电的图片,一、雷电的形成,1、雷电放电：雷电放电是指雷云与大地、雷云与雷云、雷云内部发生的一种气体放电现象。2、雷云的形成：当空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候，经过一些复杂过程，使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。一般在云层的下部积聚的是负电荷，而正电荷一般积聚在云层的上部。这样，同极性电荷的汇集就形成了一些带电中心，带有这些电荷中心的云称为雷云。,雷雨云 一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有： 水汽含量不变，空气降温冷却； 温度不变，增加水汽含量； 既增加水汽含量，又降低温度。,雷云由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹的较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。雷云的底部大多带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云与大地之间就形成强大的电场。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度就会发生云间或云对大地的放电。,雷电的放电过程,雷电的放电过程 包括三个阶段先导放电主放电余辉放电,+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +,流注停顿形成先导，先导分级向前发展，流注最后一次停顿后形成主放电，主放电阶段产生了闪电和雷声，但仅有30%的电荷复合掉，70%的电荷在余辉阶段复合。,任一时刻，全球表面连续发展着大约1000个雷暴。地球上每天约发生800万次云对地的闪电，平均每秒钟有100次。雷暴发展的波动每天总是向西移动。,注意！雷电同样会向平坦的海平面放电。,雷电分上行雷和下行雷，以下行雷为例进行分析。,流注停顿形成先导，先导分级向前发展，流注最后一次停顿后形成主放电，主放电阶段产生了闪电和雷声，但仅有30%的电荷复合掉，70%的电荷在余辉阶段复合。,一次雷电放电可能有多个分量，但每个分量都包括三个阶段。,雷电按发展过程分类,二、雷电参数,雷电放电的过程可以看成是一个具有一定内阻的电流源突然合闸到被击物上的过程，所以描述雷电放电的主要参数有：雷电流（幅值）、波阻抗、雷电流陡度、雷暴日（小时）、地面落雷密度、雷电的标准波形等。,雷云雷电先导 迎雷先导 主放电阶段 余辉放电 主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有 50100s。 余辉放电阶段电流较小，约几百安，持续时间约为0.030.15s。,雷电流波形 雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头wh(wave head)。雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾wt(wave tail)。雷电波的陡度用雷电流波头部分的增长速度来表示，即 。,1、雷电流：指雷击低接地电阻被击物时流过被击物的电流。这里的低接地电阻是指30以下的接地电阻。描述一个雷电的强弱用雷电流幅值来描述，在我国一般雷电活动地区雷电流幅值概率分布按 来分布，其中IL 是雷电流幅值，P是对应的雷电流幅值出现的概率，公式的含义是雷电流幅值超过108KA出现的概率是10%。在我国西北地区、内蒙古等地，雷电活动较弱，雷电流幅值较低，雷电流幅值概率分布按 来分布。,2、波阻抗：雷电通道的波阻抗通常取Z=300400。,3、雷电流陡度：雷电流随时间变化的速度，取值为雷电流幅值与雷电冲击波波头时间的比值。按建筑物防雷设计规范（GB50057-1994）的规定，,4、雷暴日（小时）：一年中有雷电的日数称为雷暴日，一天只要听到一个雷声就作为一个雷暴日；一年中有雷电的小时数称雷暴小时，即在一个小时内只要听到雷声就算作雷暴小时。,1.雷暴日（T）:,一年中发生雷电放电的天数,规程规定：,T15,15 T40,40 T90,90 T,少雷区,中雷区,多雷区,强雷区,(衡量雷电活动频繁的程度),标准雷暴日：40,5、地面落雷密度：每雷暴日、每平方公里的地面落雷的次数。建筑物防雷设计规范(2000版)（GB50057-1994）规定雷击大地的年平均密度 地面落雷密度也是描述一个地区雷电活动强度的参数。,二、雷电放电的种类,直击雷感应雷传导雷,直击雷,直击雷：雷直接击于被击物上，被击物可能是建筑物、树木或人等。雷电流：雷流过低接地电阻（小于30欧）被击物时的电流。我国测得的最大雷电流幅值为300KA。,传导雷,传导雷：又称雷电侵入波，是雷击于导线后，雷电流沿导线传播、并入侵被保护设备。传导雷是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。,感应雷,感应雷：由于电磁感应及静电感应形成的电压升高。感应雷幅值一般不超过500KV，对110KV及以上的线路不能构成威胁。感应雷也是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。,三、雷电的破坏作用,雷电流的电动力雷击的热效应雷击的静电感应雷击的电磁感应雷击的反击和引入高电位,精彩图片 1 2 3 4 5,雷电造成的经济损失的严重性,直接损失火灾人员伤亡设备损坏间接损失不能提供服务之损失信誉损失重新投资,雷害新特点,当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往有极大的不同，可以概括为：1）受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。,前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右，一次闪电造成上海市漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。 3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。,4）产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。,案例,2000年6月17中午12时5055分，上海市郊一村民顾某和妻子在水稻田正在插秧时遭雷击，顾某当场身亡，距其34米处的妻子双脚有发麻的感觉，据对雷击发生现场观察，雷击点四周空旷，在周围150200米范围内无任何建筑物和高大的物体（如树木等）。另据死者妻子讲述，雷击发生时在死者身上有一团火光出现，除衣服湿透外，其他雷击痕迹不明显。,真惨！,四、雷击人的主要形式,1、历史的回顾2、直接雷击3、接触电压4、旁侧闪络5、跨步电压,在我国每年因雷击造成的人员伤亡估计为30004000人财产损失估计在50100亿左右。,历史的回顾,关于雷电的描述，直到二百年以前，一般还只有在诗文中能够读到，而且停留在神话解释。由于实验科学的出现，随之电容器的发明才使我们对闪电的认识进入自然科学领域。实验证明，雷电显示了与静电相类似的特性。与此同时，关于雷电对动物和人的各种效应，也进行了研究。早期研究工作的记载是引人入胜的，其意义并不仅仅在于“历史”价值，而是在于许多重要的原理得到验证。这些原理也正是我们今日理解雷电对人体效应的依据。,对“小鸡”呼吸,富兰克林曾对着一只小鸡的头部施以“电击”后，小鸡出现了死亡现象。但是经过不断地向肺里吹气，小鸡又复苏了。这是对触电者进行人工呼吸最早的一次成就。假定电流从头部流过两脚，则它将经过脑部（包括呼吸中枢）和胸部（包括心脏）。显然它的呼吸中枢暂时麻痹，因而需要人工呼吸。但心脏必须一直跳动，否则就不能复活了。,通过该试验人们认识到雷电流通路径是造成人受伤程度不同的根源。,实验者的勇气,1、富兰克林在刚充满电的电容器上触过一次电：“好象从头到脚全身挨了一击，跟着躯干很快的猛烈颤抖，几秒钟之后这种现象才逐渐消失”。电流路径是从一只手到另一只手。2、诺勒特神父布置了一场向180名卫兵放电的把戏，所有士兵同时向上一跳，动作整齐得像一个人。后来增加到700人。3、李赫曼教授受到从头到脚的一次雷击放电，立刻死亡。4、实验告诉人们：雷击导致人死亡的最直接的原因是心室纤维性颤动和呼吸停止。,直接雷击,参加足球赛的两名正并排站着相互盯着对方时遭到雷击，电流从头部流到脚，虽然在两人身上都未发现烧灼痕迹，但在他们身体相邻侧留有树枝状电花图。救治无效，两人死亡。电花图没有任何迷信色彩，其原因是雷电流通过人体向大地泄放时，在人体表面发生了沿面放电而使人体上流下电花图。当身体和衣服之间发生闪络时，雷电流使皮肤上的水分和汗液变为蒸汽，如果衣服穿得紧，蒸汽的压力会把衣服撕破。,你知道怎么防护吗?,雷直击人是危险的，但不一定致命，应救治受伤者。,旁侧闪络,1、一个士兵骑车经过一棵树时被雷击中，他回忆当时的情景说：好象挨了一拳恨击，他看见一道火光从树向他射过来，自行车把带了电。他的皮肤完好无损，没有烧伤的痕迹。2、七个儿童在帐篷里避雨时，帐篷柱子被雷击中。五个幸存者都没反映受伤，但死亡的两个儿童左脸以及身体上都有烧伤的地方，在他们的小脚趾上都有电流流过的痕迹。3、旁侧闪络是由于人与雷电流泄放通道之间的电位差较高，引起气隙击穿造成的。,真的、不要在树下避雨！,接触电压,两个妇女正在一棵高大的云杉树下避雨，闪电突然击中了那棵大树，当时一个人是背靠树站着，她的衣服并未损坏，但在头右边有4厘米4厘米一块头发被烧焦了，变成了灰色。在这块皮肤中有像擦伤的痕迹。在树干上树皮被烧坏很长的一条，长度是从树顶开始一直到离地约158厘米的地方，正与死者身高相同。另一个妇女当时正用右手扶着那棵树，她仅失去知觉十到十五分钟，她的下肢有两三个小时不会动而且没有知觉，她的身体以及脚上有烧伤，经过治疗，两天以后就出院了。,还有很多应注意的！,跨步电压,法国的一个教堂正值做礼拜时遇到了雷击，所有站在礼拜堂中潮湿石板上的人都跌倒了，有几分钟的光景站不起来，下肢好象瘫痪了一样。而那些站在唱诗班席中橡木地板上的人都安然无恙。,我怎么了！,小结,雷电是一种自然现象，没有任何迷信色彩。雷害可以预防，雷击人最严重的情况是直接雷击，但不一定致命，应该对受伤者救治。防止接触电压和旁侧闪络伤害的最好方法是不要靠近容易引雷的物体。防跨步电压伤害的办法是雷雨天避雨时双脚并拢。,雷电并不可怕！,五、我国建筑物防雷的发展历程,1、古人对建筑物防雷的探索2、建国初期的防雷方法3、亡羊补牢、古建防雷4、防雷研究的序幕5、重大工程的防雷6、今后建筑物防雷的发展方向,古人对建筑物防雷的探索,中国人对建筑物防雷的探索最早可追溯到12世纪，较能说明问题的一例是现存的岳阳慈氏塔。就理论而言，汉朝的王充曾对雷电现象作出过解释并批判了迷信做法。中国古代虽有较强的防雷意识并做过一些技术上的尝试，但毕竟没有大的突破。1750年，富兰克林取得重大突破，证实雷是电现象。,建国初期的防雷方法,建国初，大多数工程均按照日本的45度到60度保护角确定避雷针的保护范围，接闪器采用三叉小针。五十年代初，我国引进苏联技术，采用抛物线和折线计算保护范围，用铁管或镀锌圆钢作接闪器。六十年代以前，我国没有建筑物防雷设计规范。,亡羊补牢，古建防雷,1957年北京发生两起雷击事故：7月6日，明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击，劈掉西部吻兽，劈裂两根直径1.17米、高14.3米的大楠木柱子，死一人，伤三人；7月8日，中山公园内一棵大树落雷，感应电流经附近的配电线路传到中山公园音乐堂，并引起大火，烧毁配电室、舞台和观众厅大顶棚。在给古建筑安置避雷装置时，我国首次采用了避雷带 的防雷方式。,防雷工程的序幕,1958年9月，原建工部设计局在武汉召开了“全国电气设计人员交流大会”，拉开了我国防雷研究的序幕。,重大工程的防雷,1958年，人民大会堂工程率先采用笼式避雷网并进行了彻底的等电位联结。把笼式避雷网应用于工程实际，这恐怕在国内外均属首次。深圳国际贸易中心高160米，采用笼式避雷网。终于电视塔405米，也采用笼式避雷网笼式避雷网即能满足外部防雷系统的要求，也能满足内部防雷系统的要求，它能实现良好的等电位、分流、屏蔽和接地效果，是较为完善的防雷系统。,今后建筑物防雷的发展方向,利用建筑物、结构物的钢筋作笼式防雷网能够满足外部防雷装置和内部防雷装置的需要，作为全面防雷来说将是今后发展的重点。建筑物防雷的六大要素：接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果和合理布线。,六、网络防雷,(1）雷电波形：一般来讲，我们用1.2/50s的波形来表示雷电的电压波形，而常用8/20s来表示雷电电流波形。比如讲到防雷产品时经常要提到电源防雷器要能承受 8/20s 20kA的冲击（见有关国家标准和国际标准），指的就是T1=8us,T2=20s I=20 KA。用了8微秒电流峰值即达20KA。1微秒内电流增加2.5千安培。这是一个惊人的数字。用数学语言来讲就是平均陡度di/dt非常大。,（2）如何防护：既然雷电对线路的感应是造成设备损坏的最重要的原因，那么在线路中加装设备对瞬态过电流、过电压进行抑制就可以了，这种设备我们就称其为避雷器，或称浪涌抑制器、防雷保安器等，下面就称其为避雷器。由于雷电感应主要是通过供电线路和各种信号线破坏设备的，因此对计算机信息系统的防雷保护主要地是合理地加装电源和信号避雷器。,例1：某信息系统防雷,首先让我们来看看其系统配置：供电系统埋地入户，进入开关柜，分出来一路供应UPS，并由UPS供给位于各层的电子设备使用。楼内包括计算机中心机房、程控交换机房、及无线通信设备。不用说，所有这些设备都要有电源供应，因此，在总电源处加装电源避雷器。按照有关标准的一般要求，必须在0区、1区、2区分别加装避雷器（0区、1区、2区是按照雷电出现的强度划分的），因此在设备前端分别加装多级保护集成为一体的串联型避雷器（多级集成型），以最大限度地抑制雷电感应的能量。同时，计算机中心的MODEM、路由器、甚至HUB等都有线路出户，这些出户的线路都应视为雷电引入通道，因此都应加装信号避雷器。,（一）基本概念1、过电压：在线路（电气设备）上出现的超过正常工作要求的电压。2、 内部过电压：系统本身的开关操作、负荷剧变、 故障， 参数配置不合适等。 雷电过电压 直击雷过电压3、雷电过电压的形式 感应雷过电压 雷电波侵入过电压,七、 过电压及其分类,七、 过电压及其分类,(一) 大气过电压大气过电压又称雷电过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。雷电过电压有两种基本形式：直击雷过电压和感应雷过电压 。,1直击雷过电压雷云雷电先导 迎雷先导主放电阶段 余辉放电 主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有 50100s。 余辉放电阶段电流较小，约几百安，持续时间约为0.030.15s。,2感应雷过电压所谓感应雷过电压，是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。包括静电感应和电磁感应.,(二)内部过电压操作过电压谐振过电压,限制内部过电压的措施（1）采用灭弧能力强的快速高压断路器，在断路器主触头上并联电阻(约3000)，在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数（2）装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。（3）对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧线圈接地，限制电弧接地过电压。（4）增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减小固有自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。,8.2 直击雷过电压的防护,引言：直击雷的防护采用避雷针或避雷线(带)等装置.200多年前，富兰克林通过观察发现旷野中的孤树常遭到雷击，而树下的低矮植物却能幸免于难，于是，他设想如果在地球的表面立起一个足够高的针体的话，地球上的万物就会得到保护.于是、他发明了避雷针.富兰克林避雷针要求要有足够的高度、要是尖体、但不要求接地电阻的大小.后来、罗蒙诺索夫提出新型的避雷针，要求要有足够的高度、要有足够小的接地电阻、但不要求是尖体。这两种避雷针现在都有应用，我国国家标准中推行的避雷针是罗蒙诺索夫避雷针.,中科院兰州高原大气物理所进行了人工火箭引雷试验：在1996年6月4日于南昌做的一次空中触发闪电中，他们无意中将火箭发射架放得离引流杆较远，结果引下的闪电没有以引流杆为接地点，而是打到发射架附近的地面上。这一闪电共有10个回击，由于没有安排良好的接地，在整个放电过程中闪电的击地点在随风平行移动。这次试验与7月8日的两次空中闪电形成鲜明的对比。在后两次触发中，火箭发射架放得靠近引流杆，因而闪电都以引流杆为接地点。结果在闪电过程中，尽管闪道也因风和湍流而移动和改变形状，但其接地点却始终牢牢地固定在接地良好的引流杆顶端。这一试验事实很好地说明了避雷针确有“引雷区域”存在，也说明了为使避雷装置起到预期的作用，良好的接地是十分重要的。,一、 建筑物的防雷分类,（1）第一类防雷建筑物因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者，包括制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、化工品等大量爆炸物质的建筑物；具有气体爆炸、粉尘爆炸危险环境的建筑物。（2）第二类防雷建筑物包括：国家级重点文物保护的建筑物；具有特别重要用途的建筑物，如国家级的会堂、大型火车站等；对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物，如国家级计算中心、国际通信枢纽等；具有气体爆炸危险的可能，且电火花不易引起爆炸的建筑物；,工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐；年预计雷击次数大于0.06次的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。,（3）第三类防雷建筑物包括：省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆；年预计雷击次数在0.0120.06之间的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数在0.060.3之间的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；,年预计雷击次数大于等于0.06的一般性工业建筑物；根据雷击后果及具体情况，确定需要防雷的火灾危险环境； 在平均雷暴日大于15天/年的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑。,一、 建筑物的防雷分类,建筑物年预计雷击次数的确定:,式中N- 建筑物预计雷击次数(次/a)； k-校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；,Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2)。Ta-年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定(d/a)。建筑物等效面积Ae应为其实际平面积向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定：(1)当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定(附图1.1)：,式中 D- 建筑物每边的扩大宽度(m)； L、W、H-分别为建筑物的长、宽、高(m)。,注：建筑物平面积扩大后的面积Ae如附图1.1中周边虚线所包围的面积。,(2)当建筑物的高H等于或大于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算；建筑物的等效面积应按下式确定：,(3)当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。,（一）直击雷的防护装置的组成直击雷的防护装置由承受雷击的接闪器、接地引下线和接地体三部分构成（一般还有支持构架）,二、 直击雷的防护装置,接闪器是指专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针；接闪的金属线称为避雷线；接闪的金属带称为避雷带；接闪的金属网称为避雷网。,接地引下线是连接接闪器和接地装置的一段导体。接地装置是接地体和接地线的总和，是为了降低接地电阻而完成的接地整体。,1.避雷针 宜采用圆钢或焊接钢管，其直径不应小于： 1m以下 ： 圆钢为12mm，钢管为20mm。 12m： 圆钢为16mm，钢管为 25mm。,2.避雷带或避雷网 圆钢直径不应小于8mm。 扁钢截面不应小于48m2，厚度不应小于4mm。3.避雷线 截面不应小于35m2 的镀锌钢绞线。,（二）接闪器,4.金属屋面 除一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器。,（三）引下线圆钢直径不应小于8mm。扁钢截面不应小于48m2，厚度不应小于4mm。,（四）接地装置1.人工接地体垂直接地体宜采用圆钢、钢管或角钢，最常用为钢管长2.5m，直径50mm。,（三）接地装置水平接地体宜采用扁钢。圆钢直径不应小于10mm。扁钢截面不应小于100m2，厚度不应小于4mm。角钢厚度不应小于4mm。钢管厚度不应小于3.5mm。2.自然接地体 兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、管道和建筑物的钢筋混凝土基础等。 对于变配电所，只能利用它本身的建筑钢筋混凝土基础作为自然接地体。,在高层建筑中，推荐利用柱子、基础内的钢筋作为引下线和接地装置。主要优点：(1)接地电阻低。(2)电位分布均匀，均压效果好。 (3)施工方便可省去大量土方挖掘工程量。 (4)节约钢材。 (5)维护工程量少。,（一）建筑物的防雷措施1.一类防雷建筑及二类防雷建筑物中有爆炸危险场所，应有防直击雷、防雷电感应和防雷电波侵入的措施。(1)防直接雷 采用避雷针，避雷带或避雷网。 接闪器引来雷电流，通过引下线和接地体安全地引导入地， 使接闪器下面一定范围内的建筑物免遭直接雷击。,HOME,BACK,NEXT,三、建筑物的防雷,(2)防感应雷 通过将建筑物的金属屋顶、房屋中的大型金属物品，全部加以良好的接地处理来消除。防雷装置与建筑物内外电气设备、电线或其它金属线的绝缘距离应符合防雷的安全距离。将相互靠近的金属物体全部可靠地连成一体并加以接地的办法来消除。,HOME,BACK,NEXT,(3)防高电位侵入 在整个雷害事故中占5070 。配电线路全部采用地下电缆;进户线采用50100m长的一段电缆;在架空线进户之处，加装避雷器或放电保护间隙。2.二类、三类建筑物，防直击雷和防雷电波侵入的措施。3.不属一、二、三类建筑物，应有防雷电波侵入的措施。4.易遭雷击的部位（与屋顶的坡度有关）装设避雷针或避雷带、避雷网。,HOME,BACK,NEXT,（二）具体实施1.防直击雷 (1)接闪器：在易遭雷击的屋角、屋脊、女儿墙、屋面四周的檐口设254mm2的镀锌扁钢或12的镀锌圆钢避雷带，并在屋面设置不大于10m 10m(一类建筑物)/ 15m 15m(二类建筑物)/ 20m 20m(三类级建筑物)的254mm2的镀锌扁钢的网格，与避雷带相连，作为防直击雷的接闪器。,HOME,BACK,NEXT,凸出屋面的物体，沿四周设避雷带；在屋面接闪器保护范围之外的物体，包括其低层的群房都应装设避雷带；屋面上的金属物体应与屋面避雷带相连。,HOME,BACK,NEXT,HOME,BACK,NEXT,（2）引下线沿外墙明敷时按引下线的要求；沿外墙暗敷时,引下线截面加大一级。优先考虑利用柱内钢筋，当柱内钢筋直径为16mm及以上时，应利用其中两根绑扎或焊接作为一组引下线；当柱内钢筋直径为10mm及以下时，应利用其中四根绑扎或焊接作为一组引下线。,HOME,BACK,NEXT,采用人工引下线应在1.7m左右，设引下线断接卡，以便测量接地电阻。 利用柱内钢筋作为引下线时，顶部及室外离地0.3m处各预埋与主筋相连的钢板，上部与避雷带相连，下部用作外形接地极或测量接地电阻用。当利用柱内主筋作为引下线又利用基础主筋作接地装置，两者相互连接时，则不必设断接卡。,HOME,BACK,NEXT,专设引下线时，其根数不应少于2根，宜对称布置，引下线间距不应大于18m(一类)/20m（二类/25m(三类)。利用柱内主筋作为引下线时，引下线间距不应大于18m(一类)/20m（二类 /25m(三类)，但建筑外廓各角上的柱筋都应利用。,（3）接地装置人工接地体按接地装置尺寸，垂直接地体的长度一般为2.5m，其顶距地面0.60.7m,相距5m。水平及垂直接地体应离建筑物外墙、出入口、人行道不小于3m,否则，可采用深埋接地极等方式。,应优先利用基础内的钢筋作为接地。（当基础采用硅酸盐水泥和周围土壤的含水量不低于4，基础外表面无防水层时。） 利用基础内的钢筋作为接地极，利用地圈梁组成闭环回路，其接地装置应满足冲击接地电阻要求。冲击接地电阻应小于10（一类二类）/30(三类。,HOME,BACK,NEXT,2.防感应雷及高电位反击 当进出线路与各种管道很多（一类、二类建筑，很难做到与避雷引下线及接地装置离开一定距离时，采用总电位连接，即将建筑物的柱子、圈梁、楼板基础主筋相互焊接，其余的互相绑扎成通路，柱顶主筋与避雷带相连，所有变压器的中心点，电子设备的接地点，进入或引出建筑物各种管道、电缆等线路的PE线都通过建筑物基础一点接地。,HOME,BACK,NEXT,在连接点用铜排引出，通过铜排用404的扁钢将各种设备的接地点、PE线及进户处的各种金属管道相连接。 每隔三层将各种垂直管线的穿线钢管、PE线、各种垂直管道与相应高度的柱子主筋或圈梁主筋线路相连接，以防感应过电压和高电位作用下相互平行的金属物跳击击穿，以防室内跨步电压及接触高电位引起人身事故。,HOME,BACK,NEXT,仅用于防雷其接地电阻可为10（一类二类；用于防雷及变压器中心点接地则为4；用于共有接地系统则1。,HOME,BACK,NEXT,3.防止高电位从线路引入所有引入引出建筑物的高低压线路一律采用电缆埋地引入。确有困难时，电缆长度不应小于15m，在架空线与电缆线路换接处设置避雷器，电缆的金属外包层及铠装线路或穿线钢管与避雷器的接地相连，冲击电阻不应大于10（一类二类）/30(三类。,HOME,BACK,NEXT,低压电缆引入时应在电源引入的总配电箱专设过电压保护装置，安装氧化锌避雷器。高压电缆引入时，应在高压母线上专设阀型避雷器。二级防雷建筑物在年雷暴日30及以下地区可采用低压架空直接引入，避雷器的接地电阻和瓷瓶铁脚，电源的PE或PEN线连接后，与避雷的接地装置相连，其冲击电阻不应大于30（三类。,HOME,BACK,NEXT,4.防侧击雷从30m（一类/45m（二类起每隔不大于6m沿建筑物四周设水平避雷带并与引下线相连（一类/钢构架和混凝土的钢筋互相连接（二类。30m （一类/45m（二类 /60m（三类及以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接。在电源引入的总配电箱处，宜装过电压保护器（一类。,HOME,BACK,NEXT,目前，高层建筑的防雷设计，是把整个建筑物的梁、板、柱、基础等主要结构的钢筋，通过焊接连成一体。在建筑物的顶部，设置避雷网压顶，在建筑物的腰部，多处设置避雷带、均压环，这样，使整个建筑物及每层分别连成一个整体笼式避雷网，对雷电起到均压作用。当雷击时，建筑物各处构成了等电位面，对人体和设备都安全。同时由于屏蔽效应，笼内空间电场强度为零，笼上各处电位基本相等，则导体间不会发生反击现象。建筑物内部的金属管道由于与房屋内的结构钢筋作电气连接，也能起到均衡电位的作用。此外，各结构钢筋连在一起，并与基础钢筋相连，由于高层建筑基础较深，面积较大，利用钢筋混凝土基础中的钢筋作为防雷接地体，它的接地电阻一般都能满足5欧姆以下的要求。,暗敷避雷带,明敷避雷带,明敷避雷带-使用25*4mm扁钢4,明敷避雷带，贴屋面装饰板敷设,圆屋面避雷针，使用镀锌钢管,三避雷针保护范围,所谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr(滚球半径见表8.2.1)的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动。如果球体只接触到避雷针(线)与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针(线)的保护范围之内。,表8.2.1 按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸,单支避雷针的保护范围，按下列方法确定（1）当避雷针高度hhr时距地面hr处作一与地面平行的平行线。,以避雷针的针尖为圆心，hr为半径作弧线，交上述平行线于A、B两点。分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线均与针尖相交并与地面相切。由此弧线起到地面上的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。,避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径，按下式计算：,（2）当避雷针高度hhr时在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作圆心，其余保护范围的求法同hhr时。,2避雷线及其保护范围对于单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h2hr时，应按下列方法确定，参见图9.2.2。1）距地面hr处画一与地面平行的平行线。2）以避雷线为圆心，hr为半径作弧线，交平行线于A、B两点。3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面上的空间就是其保护范围。,当2hrhhr时,当hrh时,4）当2hrhhr时，保护范围最高点的高度h0按下式计算： h02hrh 5）避雷线在被保护物高度hx的水平面上的保护宽度，按下式计算：,3避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用来保护其所处的整幢高层建筑物免遭雷击。4消雷器及其保护范围（1）抑制和消除上行雷（2）中和雷云电荷（3）抑制下行雷主放电电流,四、防护雷电流反击的措施如图9.2.4所示，当雷击避雷针以后，雷电流沿接地引下线入地，在A、B两点产生高电位。若避雷针与被保护物之间的空中距离Sa或它们的接地体在土壤中的距离Se不能承受A、B两点的高电位，就会造成Sa或Se间隙击穿或闪络，这种现象称为反击。为了防止反击的发生，避雷针必须与被保护物之间保持一定的安全距离。,式中h被保护物的高度，m； L0避雷针上单位长度的电感，常取1.3H/m； Rsh避雷针的冲击接地电阻，； i雷电流，kA，从安全考虑常取幅值为150kA；雷电流陡度，kA/s，若为斜角波头，且波头长为2.6s，则最大陡度一般取57.74kA/s。,A点对地电位UA:,上式可简化为：,若取雷电压的电阻分量对空气间隙的击穿强度为500kV/m雷电压的电感分量对空气间隙的击穿强度为700kV/m，则避雷针对被保护物不发生反击的最小安全距离工程上常取：,独立避雷针的接地体与被保护物的接地体在地中也应保持一定的安全距离，同样可得：,一般情况下，Sa不允许小于5m，Se不应小于3m。,东北某油田做的外部防雷工程竣工照片,8.3 感应雷过电压的防护,一、雷电冲击波沿导线的传播1冲击波沿导线传播的基本规律雷电冲击波行进的速度只与线路导线的分布电感和导线对地的分布电容有关，电压波和电流波幅值之比的关系为： 式中：L0导线的分布电感，H/m； C0导线的对地分布电容，F/m。,Z称为波阻抗,波阻抗与欧姆定律的区别两者虽然形式上一样，但物理意义不同。欧姆定律反映的是直流稳态下电压和电流的关系，而波阻抗反映的是沿导线传播的冲击波电压和冲击波电流之间的动态关系。它只决定于线路导线本身的分布参数L0、C0，而与导线长度和线路终端负载的性质无关。架空线路波阻抗约为400500，电缆线路波阻抗约为1050。,2波的折射与反射 如图所示，对结点A而言，根据边界能量守恒原则，任何瞬间在结点上只能呈现一个电压值和电流值，则边界方程为：,联立方程求解 ，也可以用如图所示的一个集中参数等效电路表示（称之为等效集中参数定理或彼得逊规则）,下面讨论几种特殊情况：线路末端开路时 线路末端断开处可视为结点，结点后面的波阻抗Z2=。则2，1，即Urw2Uin，UewUin，此时线路开路末端会呈现出2Uin的电压，严重威胁绝缘安全，必须设置防雷保护。线路末端短接时 线路末端短接处可视为结点，结点后面的波阻抗Z2=0，则0，1，即Urw0，UewUin。此时在进线线路上的合成波电压为零，这说明只要有良好的接地，则侵入线路的冲击波电压能迅速消失，不致造成危害。,二、 避雷器,避雷器的理论依据： 感应雷或入侵波作用在被保护设备上时，可能使设备的绝缘破坏，如何来保护设备免受危险电压的破坏呢？科学家想到了气体间隙的放电现象如右图所示，两个间隙在同,一个冲击电压的作用下，如果间隙2总是先于间隙1放电，即间隙2的伏秒特性完全位于间隙1的伏秒特性曲线的下面，并且要有足够低的残压，那么先放电的间隙2就能保护后放电的间隙1，即间隙1是被保护设备，间隙2是保护设备。于是发明了第一种避雷器保护间隙。避雷器要保护被保护物的基本条件就是避雷器总要先于被保护设备放电，并且要有足够低的残压。,二、 避雷器 1保护间隙保护间隙又称放电间隙，是最简单的防雷保护装置，它由主间隙S1、辅助间隙S2和支持瓷瓶组成。主间隙按结构型式不同，分为棒型、环型和角型。,当供电系统遭到大气过电压时，保护间隙S1作为一个薄弱环节首先击穿，并将雷电流释放到地中.,辅助间隙S2的作用是为了防止主间隙被异物短路引起误动作。,保护间隙构造简单，成本低廉，维护方便，但由于无专门灭孤装置，灭弧能力很差。规程规定，在具有自动重合闸的线路中和管型避雷器或阀型避雷器的参数不能满足安装地点的要求时，可以采用保护间隙。,2管型避雷器 管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙三部分组成。产气管由纤维、有机玻璃或塑料制成。内部间隙装在产气管内部，一个电极为棒形，另一个电极为环形。外部间隙设在避雷器和带电的导体之间，其作用是保证正常时避雷器与电网的隔离，避免纤维管受潮漏电。,由于管型避雷器伏秒特性较陡，不易与变压器的伏秒特性相配合，且在动作时有气体喷出，因此，管型避雷器主要用于室外线路上。,3阀型避雷器 阀型避雷器由装在密封磁套管中的火花间隙组和具有非线性电阻特性的阀片串联组成。,普通阀式避雷器（FZ系列），主要由多个平板型火花间隙、低温阀片、并联分路电阻、瓷套、均压环等组成。工作原理：当避雷器上过电压的瞬间时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波被截断，这时避雷器呈现为小电阻。冲击电流通过后将产生工频续流，此时工作电压远低于冲击电压，阀式电阻急剧增大，续流受到限制，电弧迅速熄灭。,阀式避雷器的结构,1间隙 2阀片 3非线性并联电阻 4黄铜电极 5云母片（0.5mm厚） 6并联电阻 7间歇电容,火花间隙组是根据额定电压的不同采用若干个单间隙叠合而成。 每个间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成。由于两黄铜电极间间距小，面积较大，因而电场较均匀，可得到较平缓的放电伏秒特性。,图8.3.5 单个平板型火花间隙1黄铜电极；2云母片,通常将四个间隙放在一个瓷套筒里，组成标准间隙组如图,.单个间隙.黄铜盖板.半环性分路电阻.瓷套筒,每个标准间隙组的侧面并有两个串联的半环性非线性分路电阻，以便起到分压作用由于间隙电容的阻抗比分路电阻要大很多，所以间隙上的电压分布主要由分路电阻的阻值来决定通常分路电阻都采用以金刚砂为主要材料在高温下烧纸而成的非线性电阻，其非线性系数为0.35到0.45。,阀片是由金刚砂（SiC）和结合剂（水玻璃等）在一定的高温下烧结而成，具有良好的非线性特性和较高的通流能力。阀片的电阻值随着所加电压变化而变化，当阀片上所加电压增大时，电阻值减小；当阀片上电压减小时，电阻值增大。这样，在通过较大雷电流时，使避雷器上出现的残压不会过高，对较小的工频续流又能加以限制，为火花间隙的切断续流创造了良好的条件。,由于阀型避雷器具有伏秒特性比较平缓，残压较低的特点，因此，常用来保护变电所中的电气设备。,阀片的电阻是非线性的，其伏安方程可表示为：u=ci 式中c为材料常数，与阀片的材料和尺寸有关；是阀片的非线性系数，小于1。,4金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它在结构上没有火花间隙，由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的压敏电阻片（阀片）组成。这种避雷器的阀片具有优异的非线性伏安特性，在工频电压下，阀片具有极大的电阻，呈绝缘状态， （电阻率高达1010-1011cm）通过的漏电流很小（A级） ，过电压过后，能迅速有效的阻断工频续流，因此无需火花间隙来熄灭工频电压引起的电弧；当电压超过一定值（称为起动电压）时，阀片“导通”，呈低阻状态，将大电流泄入地中；当危险过电压消失以后，阀片迅速恢复高阻绝缘状态。,金属氧化物的阀片其伏安特性可用公式u=Cia 表示，非线性系数与电流大小有关，一般只有0.010.04，即使在大冲击电流（例如10kA）下，也不会超过0.1，可见其非线性要比碳化硅阀片好，已接近理想（0）。,金属氧化物避雷器具有无间隙、无续流、通流量大、残压低、体积小、重量轻等优点，因此很有发展前途，世界上许多国家都已用它取代了碳化硅阀式避雷器。,ZnO阀片SiC阀片伏安特性的比较,与炭化硅避雷器相比，氧化锌避雷器具有以下一些优点：结构简单，并具有优异的保护特性。耐重复动作能力强。通流容量大。造价较低，技术经济效益显著。,电气设备的冲击绝缘强度是用伏秒特性表示。所谓伏秒特性，即绝缘材料在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压与对应的起始放电时间的关系。,避雷器要能可靠的保护该设备，其伏秒特性必须低于被保护物的伏秒特性，并且要留有一定的间距，这样才能保证在同一冲击电压作用下，避雷器总是首先击穿对地放电。,三、避雷器与被保护物绝缘的伏秒特性配合,8. 4 供配电系统的防雷保护,在供配电系统中，常常在变压器的高压侧装设阀型避雷器作为变压器的防雷保护。对于Y/Yn0接线的变压器，一般把外壳、中性点与避雷器共同接地。,一、 配电变压器的防雷保护,二、 架空线路的防雷措施（1）架设避雷线 （2）提高线路本身的绝缘水平 （3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 （4）加强绝缘弱点的保护 （5）装设自动重合闸装置,三、 变配电所的防雷措施 1变配电所的直击雷保护 变电所内如下设备和建筑物应该有直击雷保护装置：（1）屋外的配电装置（包括母线廊道、架空母线桥、软连线等）；（2）遭受雷击后可能引起火灾的建筑物，例如露天的油箱和油设备等建筑物以及易燃材料的仓库；（3）有爆炸危险的建筑物，例如氢气设备和乙炔发生装置等；（4）雷击后可能引起力学性能破坏的高大建筑物，例如烟囱、冷却塔和变压器修理间等。,8.4 供配电系统的防雷保护,235110kV变电所的进线保护进线保护的目的在于防止线路上落雷后雷电波侵入变电所，危害变电所的配电装置。,不采用全线装设避雷线的线路，可以在进线段12km内架设避雷线，防护直接雷击，还可以使感应雷过电压产生在12km以外，靠进线段本身的阻抗起限流作用，降低雷电冲击波的幅值和陡度。,为了限制线路上遭受直击雷产生的高电压，该线路进线段的首端，装设一组管型避雷器F1，且其工频接地电阻应在10以下。,在靠近隔离开关或断路器QF1处装设一组管型避雷器F2，防止线路上的雷电波侵入到隔离开关或断路器开路处由于反射而形成两倍侵入波幅值的电压，损坏隔离开关或断路器。F2的外间隙应调整于正常运行时不被击穿。,阀型避雷器F3保护价值高而绝缘相对薄弱的变压器。,播放动画, 8.4 供配电系统的防雷保护,3高压电动机的防雷保护 在运行中电动机绕组的安全冲击耐压值常低于磁吹阀型避雷器的残压，因此单靠避雷器构成的高压电动机保护不够完善，必须与电容器和电缆线段等联合组成保护。,当侵入波使管型避雷器F1击穿后，电缆首端的金属外皮和芯线间被电弧短路，由于雷电流频率很高和强烈的趋肤效应使雷电流沿电缆金属外皮流动，而流过电线芯线的雷电流很小。,同时，由于电缆和架空线的波阻抗不同（架空线约400500，电缆约1050），雷电波在架空线与电缆的连接点上会发生折射与反射。雷电波侵入电缆以后，电压波幅值已经大大降低。,采用F2与电容器C并联来降低母线上侵入波的波幅值和波陡度，保护中性点的绝缘。,避雷器,信息系统（计算机、通讯设各和控制系统均归为信息系统）及微电子设备较多的重要建筑物内应考虑内部防雷装置。电子设备防雷主要是防雷电电磁脉冲(LEMP)的影响。（一）等电位连接,HOME,BACK,NEXT, 8.5 电子设备的防雷保护,1. 用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、电气设备、金属物体信息系统